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REDES Prof. Eduardo Bonamini
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Redes Industriais Necessidade da indústria pela integração de equipamentos e dispositivos em todos os níveis de automação Necessidade de tecnologias de comunicação de dados especificamente desenvolvidas para atender os requisitos industriais
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– Melhorar o rendimento do controle de processos de uma indústria
Objetivos: – Melhorar o rendimento do controle de processos de uma indústria – Aumentar eficiência, qualidade e segurança no sistema produtivo – Facilitar a instalação dos equipamentos – Fornecer diagnósticos rápidos e detalhados – Facilitar a manutenção – Configurar dispositivos com maior rapidez – Utilizar menor quantidade de fios – Reduzir custos
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• Histórico: – Década de 60: • Transmissão analógica (0-10V ou 4-20 mA). • Painel de instrumentos conectados diretamente aos transdutores ou atuadores. – Década de 70: • Transmissão digital (controle digital direto entre controlador e os dispositivos de entrada/saída). • Controlador Lógico Programável (CLP).
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• Histórico: – Década de 90: • Redes de controladores de lógica programável(controle distribuído–Fieldbus). • Controlador Programável (CP) e software supervisório central, que gerencia alarmes, receita se relatórios. – Atualmente: • Redes que interligam dispositivos de campo inteligentes (sensores e atuadores), CLPs, etc.
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Níveis Hierárquicos de Redes Industriais
Nível de campo: – Rede de dispositivos de campo (sensores, atuadores, etc.) • Nível de controle: – Rede de equipamentos inteligentes de controle como CLP’s ou computadores • Nível de gerência: – Rede de equipamentos e sistemas inteligentes de controle como CLP’s, SDCD’s (Sistemas Digitais de Controle Distribuído), etc. – Neste nível há a troca de dados entre equipamentos e o sistema administrativo
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Níveis Hierárquicos de Redes Industriais
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Níveis Hierárquicos de Redes Industriais
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Níveis de Redes Industriais
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Níveis de Redes Industriais
Nível 0 – Sensores e Atuadores – Instrumentação • Nível 1 – Dispositivos de Controle: PLC’s, Remotas de sistemas digitais de controle distribuídos (SDCD’s) • Nível 2 – Sistemas de Supervisão: Sistemas de Supervisão e Aquisição de Dados (SCADA), interface homem-máquina (IHM) e otimizadores de processo dentro do conceito de APC( Advanced Process Control )’
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Redes Industriais Nível 3 –Gerenciamento da Produção:MES (Manufacturing Execution System) PIMS (Process Information Management System) –APS (Advanced Planning and Scheduling ) –LIMS (Lab Information System) –Sistemas de Manutenção (Maintenance Management System) –Sistema de Gestão de Ativos (Asset Management System)
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Nível 4 –Sistemas Integrados de Gestão Empresarial Administração Corporativa ERP - Enterprise Resource Planning • Nível 5 Data Warehousing corporativos – Utilizado para armazenar informações relativas às atividades de uma organização em bancos de dados – EIS (Executive Information Systems) –tem como objetivo principal dar suporte à tomada de decisão.
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Redes – Nível 2 – Databus (Computadores Hosts) – Nível 1– Fieldbus (Dispositivos inteligentes) – Nível 0 - Devicebus (E/S e periféricos),Sensorbus (dispositivos)
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Sensorbus – Rede utilizada para ligar sensores e atuadores. – Transferência rápida – Baixo custo – Distância máxima: 200 metros – Exemplo: AS-I e CAN
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Devicebus – rede utilizada para conectar dispositivos mais genéricos como CLPs, remotas de aquisição de dados e controle, etc. – Transferência rápida – Distância máxima: 500 metros – Exemplo: DeviceNet, Profibus DP e ModbusPlus Redes Industriais
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Fieldbus – rede de equipamentos que desempenham funções específicas de controle. – Transferência mais lenta e opera com vários tipos de dados (analógicos, digitais, parâmetros, programas, informações para o usuário). – Distância: até 10 km – Exemplo: HART, Profibus FMS, Fieldbus Foundation
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Databus – rede de comunicação que conecta os sistemas de supervisão aos sistemas informáticos de gestão. – Grande volume de dados – Transferência lenta – Exemplo: Ethernet Redes Industriais
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AS-I – ACTUATOR SENSOR INTERFACE
–Originalmente concebida para interligar sensores e atuadores com operação somente de LIGA/DESLIGA –Utiliza cabo comum a todos os elementos da rede –Até 100 metros –Normas: EN50295, IEC –Sistema Mestre/Escravo (Varredura dos escravos) –1 mestre por rede –31 escravos
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AS-I – ACTUATOR SENSOR INTERFACE
– O mestre possibilita as funções de diagnóstico, monitoramento contínuo da rede, reconhecimento de falhas e atribuição de endereço correto quando um nó é removido para manutenção – É possível trocar ou adicionar escravos durante aoperação normal, sem interferir na comunicação com os outros nós. Cada um destes dispositivos tem um endereço único na rede, devendo este estar entre o endereço 1 a 31 Redes Industriais
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AS-I – ACTUATOR SENSOR INTERFACE
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CAN – CONTROLLER AREA NETWORK
– Desenvolvido originalmente pela BOSCH para integrar elementos inteligentes em veículos autônomos, com o intuito de eliminar a grande quantidade de fios nos automóveis Mercedes. – Padronizada pela ISO e – Protocolo de comunicação serial síncrono.
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Redes Industriais – Apresenta as seguintes vantagens:
CAN – CONTROLLER AREA NETWORK Apresenta as seguintes vantagens: • Simplificação do cabeamento (custo, confiabilidade, reduçãoda necessidade de manutenção) Flexibilidade (facilidade de implementação de modificações naestrutura da rede) Velocidade de comunicação atendendo a requisitos de temporeal do sistema Facilidades para acesso aos diversos nós da rederemotamente (monitorando, alterando dados e diagnosticando falhas) A partir de 1991, vários fabricantes foram licenciadospara a fabricação de chips para CAN Redes Industriais CAN – CONTROLLER AREA NETWORK –Apresenta as seguintes vantagens: • Simplificação do cabeamento (custo, confiabilidade, redução da necessidade de manutenção) • Flexibilidade (facilidade de implementação de modificações na estrutura da rede) • Velocidade de comunicação atendendo a requisitos de tempo real do sistema • Facilidades para acesso aos diversos nós da rede remotamente (monitorando, alterando dados e diagnosticando falhas) – A partir de 1991, vários fabricantes foram licenciados para a fabricação de chips para CAN
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CAN – CONTROLLER AREA NETWORK
– Características do Protocolo: • Priorização de mensagens; • Flexibilidade de configuração; • Recepção do multicast com sincronia de tempos; • Multimestre, produtor-consumidor; • Detecção e sinalização de erros; • Retransmissão automática de mensagens corrompidas assim que o barramento estiver ativo novamente; • Distinção entre erros provisórios e falhas permanentes dos nós
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CAN – CONTROLLER AREA NETWORK
– Características do Protocolo: • Topologia: barramento ou estrela; • Taxa de transmissão: de 125 kbps ou 1 Mbps; • Comprimento máximo do barramento: 1 km para125 kbps e 40m para 1 Mbps; • Número máximo de nós: 16; • Codificação de bits: NRZ (Non Return to Zero); • Meio de transmissão: usualmente par trançado ou fibra ótica
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HART – Highway Addressable Remote Transducer
– Desenvolvido pela Fisher Rosemount em meados da década de1980 como um protocolo proprietário. – A partir de 1990, o HART tornou-se um padrão aberto. – HART é um protocolo digital, mas aceita também comunicação analógica no padrão 4-20mA. – Compatível com a enorme base instalada analógica existente no mundo, além de possibilitar o uso de instrumentos inteligentes em cima dos cabos 4-20 mA tradicionais. – Os dispositivos capazes de executarem esta comunicação híbrida são denominados smart .Redes Industriais
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– Características do protocolo HART: • Meio físico: par trançado;
HART – Highway Addressable Remote Transducer – Características do protocolo HART: • Meio físico: par trançado; • Taxa de Transmissão: 1200 bps; • Transmissão assíncrona a nível de caracteres UART(1 start bit , 8 bits de dados, 1bit de paridade e 1stop bit ); • Tempo médio de aquisição de um dado: 378,5 ms; • Método de acesso ao meio: Mestre/escravo;
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De configuração e calibração;
HART – Highway Addressable Remote Transducer –Características do protocolo HART: • Topologia: Ponto a ponto ou multidrop, onde todos os componentes são conectados pelo mesmo cabo. O protocolo permite o uso de até dois mestres. O mestre primário é um computador ou CLP ou multiplexador. O mestre secundário é geralmente representado por terminais hand-held De configuração e calibração;
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HART – Highway Addressable Remote Transducer
– Características do protocolo HART: • Modulação: O sinal Hart é modulado em FSK ( Frequency Shift Key ) e é sobreposto ao sinal analógico de 4-20 mA.Para transmitir 1 é utilizada a frequência de 1200 Hz.Para transmitir 0 é utilizada a frequência de 2400 Hz. A comunicação é bidirecional.O sinal FSK é contínuo em fase, não impondo nenhumainterferência sobre o sinal analógico.
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HART – Highway Addressable Remote Transducer A distância máxima do sinal HART é de cerca de 3000m com cabo com um par trançado blindado e de 1500m com cabo múltiplo comblindagem simples.
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MODBUS – Desenvolvido e publicado pela Modicon Industrial AutomationSystems em 1979 para uso do seu CLP, tornou-se um padrão defato na indústria. É um dos mais antigos protocolos utilizados em redes de controladores lógicos programáveis para aquisição de sinais deinstrumentos e comandar atuadores usando uma porta serial. Atualmente parte do grupo Schneider Electric, a Modicon colocouas especificações e normas que definem o Modbus em domíniopúblico. O protocolo é utilizado em milhares de equipamentos existentes eé uma das soluções de rede mais baratas a serem utilizadas emautomação industrial. Redes Industriais
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MODBUS – MODBUS é usualmente implementado usando RS232, RS422 ou RS485sobre uma variedade de meios de transmissão. A tecnologia de comunicação no protocolo é o mestre-escravo, sendo quesomente um mestre e no máximo 247 escravos podem ser conectados àrede. A comunicação é sempre iniciada pelo mestre, e os nós escravos não secomunicam entre si. O mestre pode transmitir dois tipos de mensagensaos escravos, dentro de uma mesma rede: • Mensagem tipo unicast : o mestre envia uma requisição para um escravodefinido e este retorna uma mensagem-resposta ao mestre (requisição eresposta); broadcast : o mestre envia a requisição para todos os escravos,e não é enviada nenhuma respostas para o mestre.
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MODBUS – Existem dois modos de transmissão: • ASCII (American Code for Informastion Interchange), ondecada byte de mensagem é enviado como 2 caracteres ASCII RTU (Remote Terminal Unit) onde cada byte da mensagem é enviado como 2 caracteres hexadecimais de 4 bits, que sãoselecionados durante a configuração dos parâmetros decomunicação. Eles definem o conteúdo dos campos damensagem transmitida serialmente. As topologias físicas usadas pelo MODBUS são: Ponto a Ponto com RS-232 Barramento Mutiponto com RS-485
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MODBUS
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MODBUS – Tipos de Protocolo MODBUS: • MODBUS TCP/IP: usado para comunicação entre sistemas desupervisão e controladores lógicos programáveis. O protocolo Modbusé encapsulado no protocolo TCP/IP e transmitido através de redespadrão Ethernet com controle de acesso ao meio por CSMA/CD. MODBUS PLUS: usado para comunicação entre de controladoreslógicos programáveis, módulos de E/S, chaves de partida eletrônicade motores, interfaces homem máquina etc. O meio físico é o RS-485com taxas de transmissão de 1 Mbps. MODBUS PADRÃO: é usado para comunicação dos CLPs com osdispositivos de entrada e saída de dados, instrumentos eletrônicosinteligentes (IEDs) como relés de proteção, controladores deprocesso, atuadores de válvulas, etc., o meio físico é o RS-232 ouRS-485 em conjunto com o protocolo mestre-escravo.
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PROFIBUS – PROcess FIeld BUS PROFIBUS foi concebida a partir de 1987 em umainiciativa conjunta de fabricantes, usuários e dogoverno alemão. A rede está padronizada através da norma DIN 19245incorporada na norma européia Cenelec EN etambém IEC61158 e IEC61784. Padrão aberto de barramento de campo para uma largafaixa de aplicações em automação de fabricação eprocessos. Pode atuar nos diversos níveis do processo industrial:ambiente de fábrica, processo e gerência.
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PROFIBUS – PROcess FIeld BUS Protocolos comunicações: • PROFIBUS DP ( Descentralized Peripherical ): é o mais usadodentre os protocolos. Caracterizado pela velocidade, eficiênciae baixo custo de conexão. Foi projetado especialmente para comunicação entre sistemas de automação e periféricos distribuídos; PROFIBUS FMS ( Field Message Specification ): é um protocolode comunicação geral para as tarefas de comunicações solicitadas. Oferece muitas funções sofisticadas de aplicações para comunicação entre dispositivos inteligentes; PROFIBUS PA ( Process Automation ): Define os parâmetros eblocos de funções dos dispositivos de automação de processo,tais como transdutores de medidas, válvulas e IHM ( InterfaceHuman Machine );
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PROFIBUS – PROcess FIeld BUS • PROFINet ( Profibus for Ethernet ): Comunicaçãoentre CLPs e PCs usando Ethernet/TCP-IP; PROFISafe: para sistemas relacionados asegurança; PROFIDrive: para sistemas relacionados a controlede movimento.
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PROFIBUS – PROcess FIeld BUS Os meios de transmissão:RS485, RS485-IS, MBP e aFibra Óptica. • O RS485 é o mais empregado. Utilizando um cabo de par trançado, possibilita transmissões até 12 Mbits/s. Usadoquando grandes velocidades são necessárias. O RS485-IS éum meio de transmissão a 4 fios para uso em áreas explosivas. O MBP ( Manchester code bus powered ) é um meio detransmissão usado em aplicações na automação de processoque necessitem de alimentação através do barramento esegurança intrínseca dos dispositivos.
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FOUNDATION Fieldbus – Padrão aberto que engloba diversas tecnologias aplicadas nocontrole de processos e automação industrial, tais como:processamento distribuído, diagnóstico avançado e redundância. Sistema heterogêneo distribuído, composto por softwares deconfiguração e supervisão, equipamentos de campo, interfaces decomunicação e supervisão, fontes de alimentação pela própriarede que os interconecta. Uma das funções dos equipamentos de campo é executar aaplicação de controle e supervisão do usuário que foi distribuídapela rede. Essa é a grande diferença entre FF e outras tecnologiascomo Hart ou Profibus, que dependem de um controlador centralpara executar os algoritmos Foundation Fieldbus.
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FOUNDATION Fieldbus – O Foundation Fieldbus mantém muitas dascaracterísticas operacionais do sistema analógico 4-20mA, tais como uma interface física padronizada dafiação, os dispositivos alimentados por um único par defios e as opções de segurança intrínseca, mas ofereceuma série de benefícios adicionais aos usuários. Este protocolo, que segue o padrão IEC 61158,apresenta dois tipos de aplicação: H1 e HSE.
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FOUNDATION Fieldbus – O FF H1 é uma rede de transmissão de dados em tempo real paracomunicação com equipamentos de instrumentação e controle deplantas industriais, tais como transmissores atuadores e controladores, podendo, inclusive, ser utilizado em aplicações que requeiram especificações quanto aos requisitos de segurançaintrínseca. Possui taxa de transmissão de 31,25 Kbits/s e interconectadispositivos de campo. A rede FF HSE (High Speed Ethernet) é uma rede de transmissãoque trabalha a 100 Mbits/s e fornece integração de controladoresde alta velocidade (CLPs), servidores, subsistemas FF HI (viadispositivos de acoplamento) e estações de trabalho.
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FOUNDATION Fieldbus – Características: • Segurança intrínseca para uso em áreas perigosas, comalimentação e comunicação pelo mesmo par de fios; Topologia em barramento ou em árvore, com suporte a múltiplos mestres no barramento de comunicação; Comportamento previsível (determinístico), mesmo comredundância em vários níveis; Interfaces padronizadas entre os equipamentos; Modelamento de aplicações usando linguagem de blocos funcionais; Recomendado o uso de cabos STP desenvolvidosespecialmente para o protocolo.
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